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长征六号改:我国首型固液运载火箭

发动机 火箭发动机 长征六号运载火箭
中国航天报

熟悉国外运载火箭的小伙伴们一定知道,国外有许多种运载火箭捆绑了固体助推器,比如美国的宇宙神5号运载火箭、欧空局的阿里安5号运载火箭、日本的H-2B运载火箭、印度的GSLV运载火箭等。而我国的运载火箭捆绑的助推器一般都是液体动力的,但是今年3月发射成功的长征六号改运载火箭填补了我国的这一项空白,成为我国第一种捆绑固体火箭助推器的运载火箭。

长征六号改运载火箭发射升空

可实现14天快速发射目标

2022年3月29日17时50分,长征六号改运载火箭将两颗人造卫星成功发射升空,并顺利送入预定轨道。

与“长征六号”不同,“长征六号改”芯一级和芯二级的箭体直径均为3.35米。在动力系统方面,“长征六号改”仍然是在一级安装两台120吨推力的YF-100液氧/煤油发动机,二级安装一台推力18吨的YF-115液氧/煤油发动机。在芯一级的侧面,捆绑了4台直径2米的固体助推器,助推器采用的是两段式120吨推力固体火箭发动机。整流罩直径由“长征六号”的2.6米或2.9米,增加到了4.2米或5.2米,为未来大型载荷留足了空间。

“长征六号改”全箭总长约50米,起飞推力7230千牛,起飞质量约530吨,可实现700千米太阳同步轨道4.5吨的运载能力。

“长征六号改”作为我国第一型捆绑固体助推器的新一代长征系列运载火箭,可充分发挥液体火箭发动机性能高、工作时间长,以及固体火箭发动机推力大、工作可靠、使用维护简单的综合优势。“长征六号改”的4枚固体助推器在起飞时为全箭提供了近70%的推力。

通过采用固体助推器,“长征六号改”实现了模块化、组合化、系列化设计,后续可通过助推器的调整,形成多种构型,打造运载能力覆盖范围广、梯度合理、性价比高的运载火箭系列,满足未来卫星多样化的密集发射需求。

由于固体火箭发动机具有部组件少、结构相对简单、可靠性高的优势,“长征六号改”的箭上管路系统“瘦身”了55%之多;由于固体火箭发动机具有操作维护方便、贮存时间长的优势,“长征六号改”最终实现了固体助推器在发射场的直接安装,并实现了火箭靶场准备14天即可快速发射的指标。

集成化发动机健康诊断系统

当然,使用固体火箭发动机也并非全都是益处。固体火箭发动机大推力也带来更大的振动,另外固体火箭发动机排焰含有高温的固体粒子,造成对于火箭底部的辐射热环境也大大加强。为了克服在飞行过程中固液发动机联合工作带来的复杂力、热环境,“长征六号改”在设计中需要对捆绑火箭力学环境条件,以及气固两相喷流底部热环境进行精确预示。

采用捆绑形式的固体火箭发动机助推器,还带来了点火流程的变化,即在火箭发射时,需要运载火箭芯一级的液体火箭发动机先点火,之后4个助推器的固体火箭发动机再点火。然而由于固体火箭发动机一旦点火就不能再关机了,此时芯一级的液体火箭发动机如果发生故障,就没法让火箭停止工作排除故障了。因此,“长征六号改”需要在固体助推器点火前,对芯级液体发动机的健康状态进行诊断,及早发现可能存在的问题。

长征六号改火箭携带的4个固体助推器

为此,“长征六号改”配置了仅有一本B5书大小的集成化发动机健康诊断系统,具备快速精准采集发动机参数并进行实时诊断的能力。该系统在芯级液体发动机点火后的2.5秒,开始进行发动机诊断,通过持续0.3秒的监测和诊断,判断发动机是否存在故障。如果认为发动机存在故障,它就会对芯级液体发动机进行自动紧急关机,并切断固体助推器点火程序,阻止其点火工作。

为了保证发动机健康诊断系统的工作可靠,不仅在前期收集了大量的发动机基础工作数据,确保对情况判断准确,还在火箭上配置了3套相同的诊断系统,对发动机状态进行同时诊断,如果有两套及以上系统诊断同时判断故障存在,才能确定为发动机故障。

除此以外,发动机健康诊断系统还需要适应“长征六号改”芯级工作时的苛刻环境。由于“长征六号改”的芯级发动机为低温液氧/煤油发动机,液氧的温度为-183℃。在这样低温环境的影响下,发动机健康诊断系统周围的环境达到了-40℃。然而当芯级发动机点火后,发动机健康诊断系统周围的温度又会迅速上升到130℃,而且伴随着强烈的振动,工作环境极其恶劣。

长征六号改火箭的固体助推器示意图

“智慧发射场”保驾护航

为了“长征六号改”的可靠发射,还特意在太原卫星发射中心9A发射工位打造了“智慧发射场”,运用物联网技术对地面设施设备进行统一的数据采集和整合,并通过大数据技术进行梳理融合,实现了全系统态势感知、全过程智能管控以及全流程驱动保证支持,可实现固体助推器在发射场直接安装,以及14天快速发射,提升了航天发射效率和发射安全性。

9A发射工位实现了火箭发射点火前4小时无人值守,临射前的一系列操作由发射系统进行远程控制。这得益于一套能够实现自动对接加注的“智能机械臂”。传统火箭在加注或者泄出推进剂时,一般采用人工现场手动对接、自动脱落的方式,这就需要发射现场一直有人值守,而“智能机械臂”完全代替了人工的作用。这套机械臂可以确保在雨、雪、雾等复杂天气环境中准确获取目标位置,克服火箭因载荷变化或风力影响产生的随机晃动,动态测量、实时跟踪火箭上的加注阀门,确保对接准确。

评论
无限探索者
少师级
探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。祝愿祖国更加繁荣昌盛!
2022-08-05
linzi✨
少傅级
长征六号改是我国首型固液运载火箭,有太多的创新需要被铭记,是中国面向太空新长征的开始,是中国人的骄傲。👍👍
2022-08-06
无限探索者
少师级
长征六号改是我国首型固液运载火箭,有太多的创新需要被铭记,是中国面向太空新长征的开始,是中国人的骄傲。
2022-08-06